不同地區(qū)油菜種植技術(shù)及裝備綜述,農(nóng)業(yè)工程論文

不同地區(qū)油菜種植技術(shù)及裝備綜述,農(nóng)業(yè)工程論文摘要：油菜是我們國家重要的油料作物,耕整地作為油菜種植的首要環(huán)節(jié)尤為重要。本文闡述了世界主要油菜產(chǎn)區(qū)及我們國家冬、春油菜產(chǎn)區(qū)種植大概情況及特征,分析了國內(nèi)外油菜種植區(qū)耕作體系,系統(tǒng)總結(jié)了油菜種植主要耕整地技術(shù)及配套裝備研究進展,包括種床整理技術(shù)、深施肥技術(shù)、秸稈還田技術(shù)、降附減阻防堵技術(shù)和耕整地智能化技術(shù)及其配套裝備,指出了油菜種植耕整地技術(shù)難點與發(fā)展趨勢。本文關(guān)鍵詞語：油菜;耕整地技術(shù);耕層;發(fā)展趨勢;Abstract：Rapeseedisoneoftheimportantoilcropsandtillageisthebasicprocessforagriculturalproduction.Thispaperreviewedthegeneralsituationofrapeseedplanting,includingthemainrapeseedplantingareaintheworldandthewinterandspringrapeseedplantingareainChina.Theareaandproductioninwinterrapeseedplantingareawerebothabove90%forrapeseedplantinginChina.Thetillagesystemsforrapeseedplantingallovertheworldwereanalysed.Themaintillagetechnologyandequipmentforrapeseedplantingweresummarised,includingseedbedmanaging,deepfertilizing,strawapplication,resistanceandadhesionreducingandintelligenttillage.Inthisreview,wealsopointedouttheproblemsanddevelopmenttendencyforrapeseedtillage.Keyword：rapeseed;tillagetechnology;ploughlayer;researchprogress;油菜是我們國家重要的油料作物,近20年來,由傅廷棟院士領(lǐng)銜的團隊開展兼具飼料、綠肥、蔬菜、能源、旅游、蜜源等油菜多功能研究開發(fā)獲得了顯著成效。耕整地技術(shù)作為油菜種植的首要環(huán)節(jié),其目的是疏松恢復(fù)土壤團粒,積蓄水分及養(yǎng)分,覆蓋雜草肥料,防治病蟲害,為油菜生長發(fā)育創(chuàng)造良好土壤條件。根據(jù)耕作的深度和目的不同,耕整地主要包括耕地和整地兩個方面。耕地主要是對土壤進行翻耕、旋耕、疏松作業(yè),為播種及栽植種床做初步準備,其裝備主要包含有單獨或者聯(lián)合完成翻耕、旋耕和深松等作業(yè)項目的機具。整地主要是對耕地作業(yè)后的耕層土壤進行細碎疏松、地表平整及壓實作業(yè),為播種和栽植種床做最后準備,其裝備主要包含獨立或者聯(lián)合完成土壤細碎、地表平整和壓實等作業(yè)的機具。油菜種植耕整地裝備的作業(yè)質(zhì)量受氣候、地理條件、土壤質(zhì)地、耕地面積等因素影響,因而不同地區(qū)及地表作業(yè)工況下所使用的技術(shù)與裝備不同。如,新疆、內(nèi)蒙古等平原地區(qū)地塊大,合適大型農(nóng)機具作業(yè);甘肅、江漢平原等地區(qū),地塊面積相對較大,合適中等規(guī)模農(nóng)機具作業(yè);而云貴等丘陵地區(qū)小面積水田耕作需要有小型輕便化的作業(yè)機具。1、油菜種植區(qū)大概情況1.1、國外油菜種植區(qū)大概情況在全球多個國家及地區(qū),油菜都作為主要的油料作物種植。圖1為國際糧油組織統(tǒng)計的2021年全球各地區(qū)油菜種植面積及油菜籽總產(chǎn)量,加拿大、中國、歐盟、印度、澳大利亞都是油菜籽生產(chǎn)大國和區(qū)域,華而不實,加拿大、中國、歐盟的種植面積及油菜籽總產(chǎn)量占全世界的比重均高于10%。由于各國的氣候條件和種植制度不同,油菜種植形式及耕整地機械化水平差異較大。加拿大、澳大利亞主要以春油菜為主,多為大面積播種作業(yè),移栽較少,已實現(xiàn)全程機械化。歐盟及印度主要以冬油菜為主,華而不實德國、法國、波蘭等歐盟國家為中等規(guī)模播種作業(yè),移栽較少,機械化水平也基本到達100%。印度主要是在拉賈斯坦邦、北方邦及哈里亞納邦種植冬油菜,機械播種、人工撒播及移栽并存,地塊面積相對較小,機械化程度較低[1]。圖1油菜種植面積與總產(chǎn)量(2021年)Fig.1Plantingareaandtotalproductionofrapeseedintheworld(2021)1.2、國內(nèi)油菜種植區(qū)大概情況我們國家油菜種植區(qū)域廣泛,機播、移栽及人工撒播并存。油菜產(chǎn)區(qū)能夠劃分為冬油菜產(chǎn)區(qū)和春油菜產(chǎn)區(qū),春油菜種植區(qū)域主要包括青海、內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等區(qū)域,一般4月播種,9月收獲;冬油菜種植區(qū)域主要分布在長江流域各省,一般9~10月播種,次年5月收獲。冬油菜種植面積和產(chǎn)量均占全國90%左右,華而不實湖北、湖南、四川油菜播種面積和產(chǎn)量均超過全國的10%[2]。北方春油菜產(chǎn)區(qū)機械化水平較高,而南方冬油菜產(chǎn)區(qū)機械化水平相對較低(表1),2021年全國油菜種植機耕水平為78.93%,而南方冬油菜產(chǎn)區(qū)油菜種植機耕水平為76.08%[3]。表12021年我們國家油菜主產(chǎn)區(qū)種植面積及機械化耕整水平Table1PlantingareaandtillagemechanizationlevelofrapeseedproductioninChinain20212、耕作體系2.1、國外油菜種植區(qū)耕作體系加拿大、澳大利亞油菜主產(chǎn)區(qū)種植制度是一年一熟或者采取休耕形式,種植春油菜,一般在旱地大面積連片種植,地域遼闊,采用大型機具作業(yè)(圖2A~C),作業(yè)效率高,基本實現(xiàn)全程機械化作業(yè)。耕整地很少采用旋耕作業(yè),一般采用免耕,配套大馬力拖拉機,用大型聯(lián)合耕整機或者帶動力圓盤耙的聯(lián)合耕整機進行耕整作業(yè),如美國約翰迪爾公司生產(chǎn)的2410型聯(lián)合耕整機最大作業(yè)寬度可達19.2m,作業(yè)速度可高達11.25km/h,需要配套450馬力以上拖拉機。德國、法國、波蘭等歐盟國家油菜主產(chǎn)區(qū)種植制度為一年兩熟,種植冬油菜,連片種植,采用中等規(guī)模機具作業(yè),基本到達100%機械化種植。耕整地由大型聯(lián)合耕整機一次性作業(yè),或先采用大型鏵式犁進行深翻,之后運用整地機械進行碎土平整作業(yè),作業(yè)效率均較高。印度油菜主產(chǎn)區(qū)種植制度是一年兩熟,種植冬油菜,地塊相對較小,人畜力作業(yè)與機械作業(yè)并存,一般采用小型輕便化耕整地機具作業(yè),如此圖2D所示,用1-3鏵式犁進深翻后再運用小型整地機械進行平整作業(yè),作業(yè)效率相對較低,機械化程度不高[1]。2.2、國內(nèi)油菜種植區(qū)耕作體系北方春油菜產(chǎn)區(qū)由于氣候及地理環(huán)境的影響,降雨量較少,主要為旱作種植方式,一年一熟。南方冬油菜產(chǎn)區(qū),降雨量較多,主要為水旱輪作種植方式,一年多熟,即有序地在季節(jié)間輪流種植水稻及旱地作物,該方式是我們國家主要的作物生產(chǎn)方式之一。我們國家油菜種植常見的耕整方式有翻耕、旋耕。華而不實翻耕主要是通過交換上下層土壤,埋覆地表秸稈雜草,以創(chuàng)造作物生長的耕作層,常用的翻耕機具有鏵式犁和圓盤犁,其作業(yè)深度一般為10~25cm。旋耕主要是對上層土壤進行細碎、混合交換,并將地表秸稈雜草切斷混合到耕作層,創(chuàng)造細碎平整的作物生長環(huán)境,常用旋耕機具是臥式旋耕機,其作業(yè)深度一般為6~10cm。春油菜產(chǎn)區(qū)一般地塊相對較大,采用中等規(guī)模機具作業(yè),一般先采用鏵式犁進行深翻,然后運用寬幅旋耕機進行碎土平整作業(yè),或者直接運用寬幅旋耕機進行耕整作業(yè),旋耕機作業(yè)幅寬能夠到達3~4m,配套動力100馬力以上。冬油菜產(chǎn)區(qū)除部分平原地區(qū)外,其它區(qū)域地塊相對較小,常見的耕整方式也是翻耕或者旋耕,但機具作業(yè)幅寬相對較小,如此圖2E及圖2F所示,一般為2~2.5m,配套拖拉機動力為70~95馬力。整體而言,我們國家油菜種植耕整機械化程度低于加拿大、澳大利亞及歐盟油菜主產(chǎn)地區(qū),但高于印度油菜主產(chǎn)地區(qū)。同時,我們國家北方春油菜主產(chǎn)區(qū)機械化耕整程度高于南方冬油菜主產(chǎn)區(qū)。隨著我們國家農(nóng)業(yè)機械化進程的加快及勞動力的短缺,機械化程度在逐年提高,以人畜力為主的耕作體系形式逐步減少,關(guān)鍵環(huán)節(jié)機械化生產(chǎn)及全程機械化生產(chǎn)逐步增加,機耕、機播、機插、機械施肥、機收等作業(yè)環(huán)節(jié)得到推廣應(yīng)用[4,5]。同時,由于周年的旋耕翻耕作業(yè),耕地耕作層逐步變淺,犁底層加厚[6]。為打破犁底層,加深耕作層,需進行深松作業(yè)。深松主要是在不交換上下層土壤情況下對下層土壤進行疏松,通過毀壞犁底層增加土壤透氣透水能力來加深耕作深度,常用深松機具是齒桿式深松鏟,其作業(yè)深度一般為20~35cm。為了防止土壤侵蝕,杜絕秸稈燃燒所造成的大氣污染,實現(xiàn)增肥增產(chǎn),免耕覆蓋作業(yè)及秸稈還田也得到推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)的旋耕、翻耕或者翻旋結(jié)合的耕作形式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉?、旋耕、旋免輪耕或者翻旋免輪耕及適時深松共存的耕作體系。圖2不同油菜產(chǎn)區(qū)耕整地裝備Fig.2Tillageequipmentsofdifferentrapeseedplantingareaintheworld注:A:凱斯紐荷蘭大型聯(lián)合耕整機;B:約翰迪爾大型聯(lián)合耕整機;C:雷肯寬幅深翻鏵式犁;D:印度被動整地機;E:液壓驅(qū)動型聯(lián)合耕整機;F:主動驅(qū)動對置組合式聯(lián)合耕整機Note:A:CombinedtillageequipmentmadebyCNH;B:CombinedtillageequipmentmadebyJohnDeer;C:MouldploughequipmentmadebyReken;D:DiscploughinIndia;E:HydraulicCombinedtillageequipment;F:Symmetricaldrivendicsplowcombinedtillageequipment3、油菜種植耕整地技術(shù)及其裝備3.1、種床整理技術(shù)及其裝備種床整理的質(zhì)量對油菜發(fā)芽、出苗及移栽影響很大,具有穩(wěn)定耕深及細碎土壤的種床可為種子發(fā)芽提供良好的水分、氣流通透性及溫度等生長條件。在冬油菜產(chǎn)區(qū),降水量較大,而油菜為根系忌水作物,種植時需要廂面平整,開好三溝(廂溝、腰溝、畦溝),有利于雨水及時排出,進而避免雨水集于廂面低洼處,影響油菜種子生長發(fā)芽。油菜種植耕整地機具作業(yè)后,細碎土層深度需達8cm以上,地表平整度5cm之內(nèi),碎土率大于50%,對于南方冬油菜主產(chǎn)區(qū),畦溝的溝寬需200~400mm,溝深150~300mm,才能知足油菜基本種植要求。3.1.1、耕深穩(wěn)定性調(diào)控技術(shù)及其裝備機具進行耕整作業(yè)時,耕作深度主要是由聯(lián)合耕整、翻耕、旋耕、深松等機具作業(yè)深度及仿形機構(gòu)等因素共同決定。耕作深度太淺,種床松碎土壤量過少,影響后續(xù)油菜播種深度;耕作深度過大則會增加機具作業(yè)功耗。研究翻耕、旋耕、深松、聯(lián)合耕整等作業(yè)機具耕深穩(wěn)定性調(diào)控技術(shù)對后續(xù)油菜播種作業(yè)至關(guān)重要。相關(guān)學(xué)者對聯(lián)合耕整、翻耕、旋耕、深松等機具作業(yè)深度調(diào)控技術(shù)進行研究,并與仿形機構(gòu)配合作業(yè),保證耕作深度穩(wěn)定性。國外如凱斯紐荷蘭、約翰迪爾等大型農(nóng)機公司研發(fā)制造的聯(lián)合耕整機作業(yè)深度范圍較大,為20.3~40.6mm,作業(yè)速度一般為8.0~9.7km/h。機具作業(yè)時,通過機具自重及調(diào)節(jié)行走支撐輪離地高度來控制機具作業(yè)深度,如此圖3A所示,并通過相關(guān)傳感技術(shù)實時反應(yīng)耕作深度,進而對機具作業(yè)深度進行實時調(diào)節(jié)。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對耕整機具作業(yè)深度也進行了研究,丁啟朔等[7]利用原位土壤耕作綜合測試平臺進行精準控制鑿形深松鏟,耕作深度在10~30cm,研究了耕作阻力及比阻、土壤宏觀擾動輪廓等深松作業(yè)指標。萬國偉等[8]針對長江中下游土壤粘重板結(jié)、秸稈量大作業(yè)工況,設(shè)計了一款液壓驅(qū)動式圓盤耙,田間試驗表示清楚該裝備作業(yè)耕深為85~120mm,耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為9.6%,作業(yè)穩(wěn)定性好。廖慶喜等[9]針對人工移栽開溝深度不穩(wěn)定、寬窄不一的作業(yè)難題,研制了一種油菜擺栽開溝整形裝置,能夠作業(yè)出上寬80mm,下寬40mm,深100~120mm的梯形溝,實現(xiàn)油菜移栽開溝作業(yè)深度的穩(wěn)定性控制。劉曉鵬等[10]針對傳統(tǒng)耕整作業(yè)耕層淺、功耗大的缺乏,設(shè)計了主動式對置犁耕與被動式開畦溝、碎土、平整相結(jié)合的聯(lián)合耕整機,田間試驗表示清楚整機作業(yè)實際耕深與限深深度基本一致,作業(yè)后廂面平整度為2.2~2.6cm,碎土率為60.1%~68.3%,耕深穩(wěn)定性系數(shù)可達90%以上。廖慶喜等[11]針對鴨嘴式移栽器無法有效打穴放苗,作業(yè)深度不穩(wěn)定的作業(yè)難題,設(shè)計了一套鴨嘴式移栽機苗床整理裝置,該裝置包括旋耕裝置及開溝裝置,共同作業(yè)實現(xiàn)油菜移栽作業(yè)耕深的穩(wěn)定性控制。3.1.2、碎土平整技術(shù)及其裝備耕作機具作業(yè)獲得一定耕深后,需要進行碎土平整作業(yè),否則影響播深一致性,導(dǎo)致出苗不齊、長勢不一致等問題。國外農(nóng)機企業(yè)一般在聯(lián)合耕整機具后面安裝一排或者多排釘齒耙、彈齒耙或者碎土輥對土地進行細碎平整作業(yè)(圖3B、圖3C)。碎土平整作業(yè)機具一般采用模塊化設(shè)計,根據(jù)聯(lián)合耕整機作業(yè)幅寬來配置碎土平整機具個數(shù)。國內(nèi)學(xué)者賈洪雷等[12]設(shè)計了一種彈性可覆土鎮(zhèn)壓輪,可同時實現(xiàn)仿形、限深、傳動、覆土、鎮(zhèn)壓和碎土等功能。張智泓等[13]研究了不同材質(zhì)組成的仿生凸齒滾動件在鎮(zhèn)壓作業(yè)時,對脫土和土壤外表微形貌加工性能的影響,比照作業(yè)后廂面的平整度。張青松等[14]采用多區(qū)段雙螺旋線對稱排列旋耕彎刀,設(shè)計了深淺旋組合式種床整備裝置,配合旋耕裝置后拖板作業(yè),在秸稈量大的地表作業(yè),碎土率為50.94%~64.64%,廂面平整度為22.12%~29.37%。針對人工移栽挖孔深度不一,廂面不平整,造成地表凹凸不平,易積水問題,廖慶喜等[15]設(shè)計了一種用于移栽作業(yè)的牽引式連續(xù)打孔與地表仿形平整裝置,該裝置周向安裝有呈多頭螺旋線分布打孔圓管的平整滾筒,作業(yè)構(gòu)成深為100~120mm孔后進行廂面平整。趙淑紅等[16]設(shè)計了一種能實現(xiàn)雙向仿形和鎮(zhèn)壓強度可調(diào)的鎮(zhèn)壓裝置,表示清楚仿形鎮(zhèn)壓裝置更能保證鎮(zhèn)壓均勻性及廂面平整。廖慶喜等[17]針對人工移栽覆土鎮(zhèn)壓,勞動強度大,廂面不平整問題,設(shè)計了一種覆土鎮(zhèn)壓機,進而保證油菜移栽覆土鎮(zhèn)壓后土壤細碎,廂面平整。通過對碎土平整技術(shù)及機具的研究,使作業(yè)后的油菜播種種床或者油菜移栽苗床廂面平整、碎土率知足油菜農(nóng)藝種植要求。3.1.3、開畦溝技術(shù)及其裝備油菜根系忌水,種植時,地塊雨水應(yīng)及時排出,避免積水影響油菜生長發(fā)育。加拿大、澳大利亞及歐盟等油菜主產(chǎn)區(qū),地塊廣闊,采用大型聯(lián)合耕整機作業(yè),大寬幅高速度粗放式種植,一般沒有進行開畦溝作業(yè)。而我們國家南方冬油菜主產(chǎn)區(qū),降雨量較大,在水田種植油菜時需要開溝排水,開好三溝(廂溝、腰溝、畦溝)是避免油菜漬害的保證。當前開畦溝裝置主要包括主動和被動開溝2種方式,主動開畦溝裝置作業(yè)效果好,但功耗高,如圓盤開溝機;被動開畦溝裝置構(gòu)造簡單,但作業(yè)性能不穩(wěn)定。廖慶喜等[18]設(shè)計的一種雙邊拋土式免耕開畦溝裝置,通過臥式刀盤主動旋轉(zhuǎn),作業(yè)出寬300~3200mm,深180~200mm的畦溝。張青松等[19,20]運用鏵式犁相關(guān)原理設(shè)計了開畦溝裝置,如此圖3D所示,由前后犁組成,犁體作業(yè)深度為180mm,寬度為170mm,配合作業(yè),前犁開溝起土,保證畦溝溝深和初步溝型,后犁收溝整形,進而保證最終畦溝溝型。為適應(yīng)較高含水率條件開畦溝作業(yè),劉曉鵬等[21]進一步設(shè)計了船型開溝器,如此圖3E所示,作業(yè)構(gòu)成溝深150~250mm,上溝寬250~350mm,溝底寬80mm的梯形畦溝,解決長江中下游地區(qū)土壤黏重板結(jié)、含水率波動大,導(dǎo)致播種時同步開畦溝的穩(wěn)定性難以保證的實際問題。吳亮堂[22]、羅海峰[23]等設(shè)計了稻茬田油菜免耕播種機開溝部件構(gòu)造,采用順銑方式開溝切削拋土,結(jié)果表示清楚開溝作業(yè)性能良好,工作可靠。開畦溝技術(shù)為在我們國家南方冬油菜產(chǎn)區(qū)種植油菜等旱地作物時田間雨水的順利排出提供了技術(shù)保障。種床整理是油菜播種或者移栽的重要環(huán)節(jié),穩(wěn)定的土層深度及適宜的土壤細碎廂面平整度是油菜生長發(fā)育的必備條件。由于田間作業(yè)工況的復(fù)雜性,尤其是在我們國家南方油菜主產(chǎn)區(qū)土壤粘重板結(jié),地表前茬作物秸稈殘留量大,顯著影響了耕整地裝備種床整理質(zhì)量,發(fā)展適應(yīng)該地區(qū)種床整理的耕整地裝備,尤其是具有穩(wěn)定作業(yè)耕深的開畦溝裝備,是研究難點之一。圖3種床整理裝備Fig.3Seedbedmanagementequipment注:A:聯(lián)合耕整機限深單元;B:聯(lián)合耕整機碎土單元;C:聯(lián)合耕整機平整單元;D:油菜直播機鏵式開畦溝器;E:油菜直播機船型開畦溝器;1:行走支撐輪;2:碎土輥;3:釘齒耙Note:A:Depthlimitunitofcombinedtillageequipment;B:Crushedsoilsunitofcombinedtillageequipment;C:Levelingunitofcombinedtillageequipment;D:Plowditchinguintofdirectrapeseedseeder;E:Shiptypeopernerofdirectrapeseedseeder;1:Walkingsupportwheel;2:Crushingsoiltoller;3:Tinedharrow3.2、深施肥技術(shù)及其裝備化肥深施是一種節(jié)本增效的施肥方式,通過把肥料施入到指定深度土層,如在種子的正下方或者側(cè)下方,能夠有效降低化肥撒施或者機械混施在土壤外表造成的揮發(fā)和流失,促進油菜種子對化肥的吸收。當前肥料撒施或者混施,肥料利用率一般不超過30%,而深施肥料利用率可提高到35%~40%。深施肥鏟具有多種構(gòu)造形式,如此圖4所示,國外農(nóng)機公司研發(fā)的聯(lián)合耕整機一般通過鋤鏟式或滑刀式深施肥鏟把肥料施入指定深度土層,為防止深施肥部件作業(yè)時擁堵,一般呈多列交織布置,如約翰迪爾1835型聯(lián)合耕整機作業(yè)幅寬為18.3m,華而不實深施肥部件成4列布置,每列鏟體間距為762mm,列間距離為762mm。國內(nèi)深施肥裝備作業(yè)幅寬較小,一般為2~4m,在南方冬油菜產(chǎn)區(qū),機具作業(yè)速度一般為2~7km/h。王金峰等[24]設(shè)計了一種深施型液態(tài)施肥裝置,實現(xiàn)中耕追肥。針對水旱輪作區(qū)深施肥部件鏟體易堵塞問題,廖慶喜等[25]設(shè)計了一種帶切茬圓盤的類鏵式深施肥裝置,通過在施肥鏟體前安裝切茬圓盤,作業(yè)出一條50mm左右切縫,之后類鏵式犁起土,作業(yè)出50~100mm犁溝,到達切茬、破土及深施肥的功能。李慧等[26]設(shè)計了分層側(cè)施肥播種機,施肥深度為80~100mm,播種深度為30~50mm,能夠到達肥料深施,同時避免了燒種。深施肥技術(shù)把肥料精量、定點施于指定深度,提高了肥料的利用率,減少了肥料使用量。深施肥技術(shù)在地形廣闊地區(qū)如加拿大,由于機具作業(yè)幅寬大,深施肥鏟體作業(yè)間距大,機具不易堵塞,應(yīng)用廣泛。而在地形狹小地區(qū)如我們國家冬油菜產(chǎn)區(qū),由于一年多熟,生產(chǎn)農(nóng)時緊,地表秸稈量大且韌性強,土壤粘重板結(jié),油菜種植機具作業(yè)幅寬小,深施肥部件鏟體及出肥口易堵塞,肥料流通不暢,難以保證作業(yè)質(zhì)量。采用仿生技術(shù)及創(chuàng)新性設(shè)計新型深施肥機是當前冬油菜產(chǎn)區(qū)深施肥部件研究的重點及難點。圖4深施肥技術(shù)與裝備Fig.4Technologyandequipmentfordeepfertilizing注:1:作物種子;2:肥料顆粒;3:鋤鏟式深施肥鏟;4:滑刀式深施肥鏟;5:類鏵式犁式深施肥鏟Note:1:Cropseeds;2:Fertilizergranules;3:HoeTypedeepfertilizerunit;4:Slidingtypedeepfertilizerunit;5:Plowtypedeepfertilizerunit3.3、秸稈還田技術(shù)及其裝備秸稈還田可杜絕由燃燒秸稈導(dǎo)致的空氣污染,并提高土壤肥力,減少化肥施用量。加拿大等地塊廣闊區(qū)域種植油菜時,推廣保衛(wèi)性耕作,通過大型聯(lián)合耕整機(圖5A)對地表秸稈進行處理,該類型機具特點是直徑610~660mm的切茬圓盤多列布置,同列圓盤間間距大,可達280mm,作業(yè)深度可達203mm,作業(yè)速度高達11.3km/h,通過高速作業(yè),切斷地表殘茬,為后續(xù)油菜播種提供良好條件。在我們國家,尤其是在水旱輪作區(qū)、兩熟區(qū)等一年多熟地區(qū)種植油菜時,地表前茬作物秸稈殘留量較大,需要對秸稈進行處理。現(xiàn)有秸稈還田技術(shù)主要有秸稈深埋、混埋、翻埋等處理方式。李永磊等[27]研制的雙輥秸稈還田旋耕機可一次完成秸稈還田、旋耕碎土等聯(lián)合作業(yè)。針對水稻秸稈還田機耕作深度淺的問題,王金武等[28]設(shè)計的水稻秸稈深埋整稈還田裝置,秸稈還田深度可到達耕整地環(huán)節(jié)的要求,秸稈還田率較高。周勇等[29]設(shè)計的雙軸水田秸稈還田耕整機,可一次性實現(xiàn)水田高茬秸稈的埋覆還田、旋耕碎土、平整地表等多項功能。張國忠等[30]研制的1GMC-70型船式旋耕埋草機,可適用于泥腳深度350mm下面、秸稈高度700mm下面的水田耕整作業(yè)要求。張秀梅[31,32]等設(shè)計的水旱兩用型秸稈還田耕整刀輥,可實現(xiàn)水田和旱地秸稈埋覆、旋耕碎土、平整地表等多項功能。針對水稻秸稈還田機耕作深度及秸稈還田深度淺問題,王金武[33,34]等設(shè)計了水稻秸稈深埋整稈還田裝置,可實現(xiàn)切土、碎土、埋草、壓草及覆土等功能。針對長江流域土壤粘重板結(jié),地表秸稈量大,影響旋耕作業(yè),廖慶喜等[35]設(shè)計的帶狀種床整理裝置(圖5B),通過在機具底部安裝滅茬刀組及帶狀旋耕刀組進行秸稈還田及種床整理。秸稈還田技術(shù)及相關(guān)機具的使用,使田間大量秸稈通過機械化埋覆,提高了作業(yè)效率,減輕了勞動強度,在油菜種植經(jīng)過中,減少了作業(yè)機具的堵塞,促進了油菜機械化播種。然而當前我們國家南方水旱輪作區(qū),地表水稻秸稈殘留量大,韌性強,而由于地形的限制,機具作業(yè)幅寬較小,作業(yè)速度較低,進一步優(yōu)化適應(yīng)該地區(qū)的秸稈還田技術(shù)與裝備是當前研究重點之一。圖5秸稈還田技術(shù)與裝備Fig.5Technologyandequipmentforstrawapplication注:A:聯(lián)合耕整秸稈處理裝備;B:滅茬旋耕雙軸耕整機Note:A:Combinedstrawreturningequipment;B:Doubleshaftstubblecleaningequipment3.4、降附減阻防堵技術(shù)及其裝備在土壤黏重板結(jié)、前茬作物秸稈殘留量大的地表耕整作業(yè)時,機具容易產(chǎn)生粘附堵塞,導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量差,功耗較大,學(xué)者通過合理布局耕整裝備作業(yè)部件,增加防堵防纏部件及對機具外表改型、改性等方式開展相關(guān)降附減阻防堵技術(shù)研究。國外耕整地裝備大多通太多列大間隙布局作業(yè)部件,并在每個作業(yè)部件安裝有過載保衛(wèi)彈簧(圖6A),實現(xiàn)降附減阻,減少機具作業(yè)堵塞。國內(nèi)田麗梅[36]、任露泉[37]等將土壤動物形體及行為特征的研究應(yīng)用在機械上進行降附減阻,獲得了良好效果。與傳統(tǒng)鎮(zhèn)壓輥相比,仿生鎮(zhèn)壓輥的阻力得到降低[38,39]。張金波[40]模擬土壤洞穴動物小家鼠設(shè)計深松鏟減阻構(gòu)造,深松鏟的耕作阻力下降明顯。趙佳樂等[41]設(shè)計的同時設(shè)有被動和主動臥式旋轉(zhuǎn)部件的有支撐滾切式防堵裝置,其防堵作業(yè)效果明顯。茍文等[42]設(shè)計了圓弧刃口型開溝器,解決西南丘陵地區(qū)保衛(wèi)性耕作形式下免耕播種機尖角型開溝器易纏草堵塞、使用壽命短等問題。張青松[43]等通過安裝切茬圓盤(圖6B)來增加開畦溝犁體的通過性。舒彩霞等[44]設(shè)計的具有防纏繞且寬深比可調(diào)的扣垡犁,初始寬深比為1.2~1.3,起始原線角為38,通過調(diào)節(jié)犁體耕深及耕寬,得到適宜的寬深比,有效減少重耕和漏耕,減少作業(yè)的堵塞及纏繞現(xiàn)象。耕整地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耗能最大的環(huán)節(jié),降附減阻防堵技術(shù)的運用能夠有效降低作業(yè)能耗,提高機具作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)適應(yīng)性。通過機具合理布局、增加防堵防纏部件及運用仿生技術(shù)進行作業(yè)部件外表改型及改性等方式方法,以期到達降附減阻和防堵塞的目的,進而提高機具作業(yè)質(zhì)量,降低機具作業(yè)功耗。圖6降附減阻防堵技術(shù)與裝備Fig.6Technologyandequipmentforresistanceandadhesionreducing注:A:彈齒式防堵機構(gòu);B:切茬防堵圓盤Note:A:Elastictoothtypeanti-blockageunit;B:Stubble-cutanti-blockageunit3.5、智能化耕整技術(shù)及其裝備隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展,智能化的油菜種植耕整機具是發(fā)展方向之一。油菜機械化耕整種植經(jīng)過中,運用自動導(dǎo)航技術(shù)、機器視覺及相關(guān)控制等技術(shù)可保證對行準確度和行駛直線度,為中期智能化油菜管理監(jiān)控和后期機械化收獲提供標準化的作業(yè)環(huán)境。羅錫文等[45]在東方紅X-804拖拉機上開發(fā)了基于RTK-DGPS的自動導(dǎo)航控制系統(tǒng),提出了跨行地頭轉(zhuǎn)向控制方式方法。油菜種植耕整遭到地表作業(yè)工況如土壤類型、秸稈殘存余留量及土壤含水率等影響,張聞宇等[46]針對行駛經(jīng)過中輪胎側(cè)滑量等不確定性因素導(dǎo)致拖拉機運動軌跡難以準確描繪敘述的問題,提出了一種基于SVR逆向模型的拖拉機導(dǎo)航純追蹤控制方式方法,能夠有效修正油菜播種作業(yè)時復(fù)雜的地表特征對行駛的影響,并針對播種機導(dǎo)航作業(yè)經(jīng)過中對行播種起始位姿調(diào)整和套行作業(yè)自動轉(zhuǎn)彎問題,設(shè)計了雙切圓尋線模型控制方式方法(圖7),該方式方法可有效降低播種機人工操作配合自動導(dǎo)航作業(yè)的操作難度[47],同時設(shè)計的自動導(dǎo)航摩擦輪式轉(zhuǎn)向驅(qū)動系統(tǒng)能有效控制拖拉機轉(zhuǎn)向,拆裝便捷,提高了播種機導(dǎo)航系統(tǒng)的實用性[48]。張智剛等[49]提出了基于協(xié)方差函數(shù)的加窗估計算法,用于在線估計電子羅盤和微機械陀螺的測量方差,可有效估測農(nóng)機的航向角度。丁幼春等[50]針對基于視覺的油菜直播機組自動對廂作業(yè)控制,提出了結(jié)合模糊控制和帶死區(qū)的PD控制的組合控制器,控制直播機組轉(zhuǎn)向。油菜種植耕整機具作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)效率的提高離不開耕整智能化技術(shù)。耕作深度、開畦溝深度、深施肥深度穩(wěn)定性控制,地塊平整度的實時反應(yīng),機具粘附擁堵、深施肥肥料堵塞的實時監(jiān)測,機具作業(yè)時的途徑規(guī)劃等都需要智能化技術(shù)。自動導(dǎo)航技術(shù)已逐步應(yīng)用于油菜機械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,但由于冬油菜產(chǎn)區(qū)地塊較小,針對油菜種植經(jīng)過,對田塊曲線跟蹤及自動避障等功能仍需進一步研究。圖7自動導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.7Automaticnavigationsystem注:1:角度傳感器;2:電控轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu);3:導(dǎo)航控制終端;4:拖拉機Note:1:Anglesensor;2:Electricallycontrolledsteeringunit;3:Navigationcontrolterminal;4:Tractor4、技術(shù)難點分析與發(fā)展趨勢加拿大等發(fā)達國家及地區(qū)采用旱作一年一熟種植制度,地形廣闊,耕整機具作業(yè)幅寬大,作業(yè)速度高,機械化程度高。我們國家北方春油菜產(chǎn)區(qū)同樣人口稀少,地形開闊,耕地面積大,也主要采用旱作一年一熟種植制度,其耕整機具作業(yè)幅寬大,作業(yè)速度高,機械化程度較高。我們國家南方冬油菜產(chǎn)區(qū),除部分平原地區(qū)外,主要為丘陵山地,地塊狹小,土地分散,種植制度為水旱輪作,一年兩熟或三熟,地表前茬作物殘留秸稈量大、韌性強,大型耕整農(nóng)機具無法推廣應(yīng)用。因而需研制合適南方冬油菜產(chǎn)區(qū)油菜種植耕整裝備,進一步發(fā)展開畦溝技術(shù)、深施肥技術(shù)、秸稈還田技術(shù)及耕整裝備的降附減阻防堵技術(shù),并結(jié)合相關(guān)智能化耕整技術(shù),提升油菜種植耕整裝備作業(yè)質(zhì)量及智能化水平。4.1、油菜種植耕整技術(shù)難點分析(1)油菜種植對種床或苗床土壤細碎度、廂面平整度要求較高,需加強碎土平整裝置及仿形裝置研究。油菜播種深度與其它作物不同,冬油菜播種深度一般控制在2cm之內(nèi),春油菜根據(jù)區(qū)域差異控制在3~5cm,在冬油菜種植區(qū)域,還要求具有穩(wěn)定的畦溝溝型,對碎土平整和仿形裝置進行研究,進而保證種床或苗床作業(yè)質(zhì)量。(2)土壤粘重板結(jié)、含水率差異大,要求機具作業(yè)適應(yīng)性強。輪作區(qū)土壤質(zhì)地粘重,易粘附土壤作業(yè)部件,降低機具作業(yè)質(zhì)量。全年降雨量充沛,春耕及秋耕期間,降雨較多,土壤含水率波動大,增加了機械化耕整難度,需要對機具在不同條件下的作業(yè)適應(yīng)性加強研究,以適應(yīng)水旱輪作區(qū)田間作業(yè)工況。(3)地表前茬作業(yè)秸稈殘存余留量大、韌性強,要求機具作業(yè)穩(wěn)定性好及通過性能力高。輪作區(qū)前茬作物大量秸稈留存于地表,為防止燃燒污染空氣,需秸稈還田,同時作業(yè)經(jīng)過中,秸稈與粘重土壤混合,降低了土壤的流動性,易堵塞纏繞機具,對機具作業(yè)穩(wěn)定性及通過性能提出了更高層次要求。機具的防堵防粘防纏能力急需深化研究,以知足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際需求。(4)地塊分散、地形復(fù)雜,機具難以標準化及規(guī)?；Ｋ递喿鲄^(qū)有丘陵、山地、平原等地區(qū),地塊大小不同,土壤質(zhì)地有一定差異,氣候條件不同,農(nóng)藝種植要求不一樣,對機具大小尺寸要求不同,對機具復(fù)式作業(yè)功能要求呈多樣化。4.2、油菜種植耕整技術(shù)發(fā)展趨勢(1)增加機具智能化水平,運用相關(guān)測試及傳感技術(shù),監(jiān)控機具作業(yè)狀態(tài)及作業(yè)質(zhì)量,如耕作深度、施肥深度及施肥量,平整度、碎土率等作業(yè)指標,實時反應(yīng)機具耕作深度、開畦溝深度、纏繞擁堵等情況,實現(xiàn)田間信息快速獲取及機具作業(yè)質(zhì)量實時監(jiān)控。(2)推廣秸稈還田技術(shù),發(fā)展深施肥技術(shù),提高肥料利用率。推廣秸稈還田,杜絕秸稈燃燒帶來的空氣污染;發(fā)展深施肥技術(shù),減輕化肥過量使用導(dǎo)致的土壤性狀惡化、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、環(huán)境污染等問題。(3)提高機具作業(yè)效率,提升機具復(fù)式作業(yè)水平,實現(xiàn)機具一次下地作業(yè)完成開畦溝、旋耕、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等功能,提高機具作業(yè)效率。(4)研發(fā)新型降附減阻防堵技術(shù),提高耕整機具作業(yè)質(zhì)量。運用新技術(shù)新手段,通過對土壤工作部件外表改性和外表改形等方式方法,研究新型降附減阻防堵技術(shù),減少土壤粘附及秸稈纏繞作業(yè)集聚情況,突破水旱輪作區(qū)由于土壤粘重板結(jié)、地表前茬作物秸稈殘留量大,易堵塞纏繞作業(yè)機具的難題。優(yōu)化開畦溝技術(shù),推廣秸稈還田技術(shù),發(fā)展深施肥技術(shù),提高肥料利用率,研發(fā)新型降附減阻防堵技術(shù),提高機具作業(yè)質(zhì)量是冬油菜產(chǎn)區(qū)耕整機具研究重點;提升機具復(fù)式作業(yè)能力及智能化水平,提高機具作業(yè)效率,降低生產(chǎn)成本是當代農(nóng)業(yè)發(fā)展必然選擇。以下為參考文獻：[1]廖慶喜,雷小龍,廖宜濤,等.油菜精量播種技術(shù)研究進展[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2021,48(9):1-16.[2]廖慶喜.油菜生產(chǎn)機械化技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2021.[3]陳巧敏.中國農(nóng)業(yè)機械化年鑒[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2021.[4]黃凰.南方雙季稻區(qū)水稻機械化生產(chǎn)工程形式研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2020.[5]羅錫文,廖娟,胡煉,等.提高農(nóng)業(yè)機械化水平促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2021,32(1):1-11.[6]李朝蘇,湯永祿,黃鋼,等.麥稻輪作區(qū)周年耕作形式對作物產(chǎn)量和土壤特性的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報,2020,25(3):786-791.[7]丁啟朔,葛雙洋,任駿,等.水稻土深松阻力與土壤擾動效果研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2021,48(1):47-63.[8]萬國偉,舒彩霞,劉曉鵬,等.液壓驅(qū)動式圓盤耙設(shè)計與仿真試驗[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2021,38(5):117-124.[9]廖慶喜,劉明峰,廖宜濤,等.用于油菜擺栽的開溝整形裝置[P].中國專利:202020207533.X,2020-03-25.[10]劉曉鵬,張青松,肖文立,等.稻油輪作區(qū)驅(qū)動圓盤犁對置組合式耕整機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2021,48(12):33-41.[11]廖慶喜,許博,舒彩霞,等.鴨嘴式移栽機苗床整理裝置[P].中國專利:202110096700.9,2021-02-22.[12]賈洪雷,姜鑫銘,郭明卓,等.2BH-3型玉米行間播種機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2021,46(3):83-89.[13]張智泓,佟金,陳東輝,等.不同材質(zhì)仿生凸齒鎮(zhèn)壓器滾動件的模態(tài)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2020,28(13):8-15.[14]張青松,肖文立,廖慶喜,等.油菜直播機深淺旋組合式種床整備裝置的設(shè)計與試驗[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2021,35(4):121-128.[15]廖慶喜,劉明峰,廖宜濤,等.用于移栽作業(yè)的牽引式連續(xù)打孔與地表仿形平整裝置[P].中國專利:202010113593.2,2020-03-25.[16]趙淑紅,劉宏俊,譚賀文,等.丘陵地區(qū)雙向仿形鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2021,48(4):82-89.[17]廖慶喜,劉明峰,廖宜濤,等.覆土鎮(zhèn)壓機[P].中國專利:202010143033.1,2020-04-10.[18]廖慶喜,魏國粱,舒彩霞,等.雙邊拋土式免耕開畦溝裝置[P].中國專利:202110160352.7,2021-03-17.[19]張青松,汲文峰,廖宜濤,等.油菜直播機鏵式開畦溝前犁曲面分析與阻力特性試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2020,45(2):130-135.[20]張青松,廖慶喜,汲文峰,等.油菜直播機開溝犁體曲面優(yōu)化與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2021,46(1):53-59.[21]劉曉鵬,肖文立,馬磊,等.油菜聯(lián)合直播機組合式船型開溝器設(shè)計與開溝質(zhì)量試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2021,48(11):79-87.[22]吳亮堂,官春云,湯楚宙,等.2BF-6型稻茬田油菜免耕聯(lián)合播種機的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(3):103-106.[23]羅海峰,官春云,湯楚宙,等.稻茬田油菜免耕播種機開溝部件的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(11):153-157.[24]王金峰,王金武,葛宜元.深施型液態(tài)施肥裝置的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2018,40(4):58-62.[25]廖慶喜,肖文立,舒彩霞,等.帶切茬圓盤的類鏵式犁施肥裝置[P].中國專利:202110837583.2,2021-09-21.[26]李慧,佟秋成,陳魁,等.分層側(cè)深施肥播種機的研發(fā)[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2020,34(5):105-108.[27]李永磊,宋建農(nóng),康小軍,等.雙輥秸稈還田旋耕機試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,202